نانو لوله های کربنی

[P O U R I A]

برای روشن‏تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می‏کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته‏ ی خواص مکانیکی قرار می‏گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروهایی که آن را از دو طرف می‏کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا پلیمرها، نمونه‏ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می‏کنند (مثال‏ هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می‏شود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره‏ هایی قرار می‏دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور کردن آن‏ها از یکدیگر وارد می‏شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می‏گیرد و در نهایت می‏شکند. از طریق محاسبه‏ ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می‏توان استحکام ماده را به دست آورد.

شکل 2- نمونه‏ های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده‏اند.

اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده‏اید، قطر نانولوله‏ های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏ اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (شکل 3).

شکل 3- یک نانولوله‏ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.

 

[P O U R I A]

راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی
1. شبیه سازی
مطمئنا در زمینه‏ی شبیه ‏سازی مطالبی را مطالعه نموده‏اید. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏ های کربنی، شبیه‏ سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏ سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم ‏افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از زبان‏های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش‏های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‏ها را به شکل مقدماتی بررسی می‏کنیم.

1-1- دینامیک مولکول
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. در این روش، اتم‏ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می‏کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای کوچک داریم، می‏دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن‏ها بر یکدیگر نیرو وارد می‏کنند. برای مثال می‏توان فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4).

شکل 4- در مواد جامد، می‏توان فرض کرد که پیوند بین اتم‏ها مانند یک فنر عمل می‏کند و آن‏ها را در یک فاصله‏ ی مشخص تعادلی از یکدیگر قرار می‏دهد.

با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن‏ها در هر لحظه، می‏توانیم حرکت تک تک آن‏ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می‏توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا حدودی به ویژگی‏های دنیای نانومتری پی ببریم. آیا می‏دانید این ویژگی‏ها کدام هستند؟

2-1- روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (در اصطلاح به آن «تیر» می‏گویند که معادل واژه‏ی beam در انگلیسی می‏باشد) در نظر بگیریم و اتم‏های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن‏ها بازی می‏کنند. به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله ‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می‏شناسند و می‏توانند با بررسی‏های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند یک سازه‏ ی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

شکل 5- تصویری از یک نانولوله‏ ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود

 

[P O U R I A]

3-1- روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏ سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه ‏ی اصول بسیار پیچیده‏ ی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می‏توان روابط بین اتم‏های کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین اتم‏های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.

2. بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏های کربنی
همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏ اند نانولوله‏ های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ AFM قرار متصل کنند و با کشش آن‏ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار جالب، نانولوله‏ ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ ی استحکام آن پرداختند.

3. بررسی کامپوزیت ‏های حاوی نانولوله‏ های کربن
همان‏گونه که در مقالات قبلی در مورد کامپوزیت‏ ها و نانوکامپوزیت‏ ها مطالعه نموده ‏اید (مانند مقاله‏ ی«ک مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)، می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله ‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله ‏ها و زمینه‏ های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته‏ اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.


هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده‏ ی افزودنی یا پر کننده) متفاوت است. برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه‏ ی استحکام ماده‏ ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می‏افتد. بنابراین می‏توان این افزایش خواص را به حضور ماده‏ ی افزودنی نسبت داد. برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می‏توان رابطه ‏ی 1 را نوشت. در این رابطه f نماد کسر حجمی و σ نمایانگر استحکام است. اندیس‏های c، r و m نیز به ترتیب نماینده‏ ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه می‏باشند.

رابطه‏ ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت‏ ها

در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله ‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله ‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏ گیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولوله‏ های کربنی می‏پردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان می‏کنیم.

 

[P O U R I A]

در ادامه .........

نانولوله های کربنی در دمای اتاق، رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به الماس و گرافیت دارند. هدایت حرارتی نانولوله های تک دیواره که به صورت توده ای در کنار هم قرار گرفتند، برابر 200 وات بر متر کلوین و هدایت حرارتی نانولوله های چند دیواره، برابر 300 وات بر متر کلوین است.
اگر بخواهیم هدایت حرارتی انواع مختلف کربن را بررسی کنیم، متوجه می شویم که هدایت حرارتی گرافن بیشتر از نانولوله ها و هدایت حرارتی نانولوله ها بیشتر از گرافیت است.علت هدایت پایین گرافیت، همان نیروهای جاذبه ی واندروالس است که باعث پایین آمدن این پارامتر می شود و به نظر می رسد همین نکته در مورد نانولوله های کربنی صادق است که باعث پایین آمدن هدایت حرارتی آنها نسبت به گرافن می شود.
اگر نانولوله های کربنی را بی نظم کنار هم بچینیم ،هدایت حرارتی حاصله 35 وات بر متر کلوین می شود در صورتی که اگر بخواهیم هدایت حرارتی بیشتر از 200 وات بر متر کلوین داشته باشیم، باید آنها را توسط یک میدان مغناطیسی مرتب کنیم.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در مقاله‏ی قبلی به برخی کلیات مربوط به روش‏های به دست آوردن خواص نانولوله‏ های کربنی پرداختیم. یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏ های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏ های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏ های بین آن‏ها، دانشمندان علاقه‏ ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏ های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏ ها یاد کرد.

هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی
دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‏ ی هدایت حرارتی نانولوله‏ ها کربنی دست یافته‏ اند. آن‏ها پیش بینی می‏ کنند که نانولوله‏ های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏ گیری‏ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله‏ ها به دست آوردند. یک دسته، نانولوله‏ های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله ‏های کربنی چند دیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله‏ ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏ های نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

پرسش 1: آیا می‏توانید مقادیر متداول رسانایی حرارتی مواد مختلف از جمله گرافیت و الماس را بیابید؟ این کار را برای درک بهتر مطالب ارائه شده در این مقاله و مقایسه ‏ی بین اعداد درج شده انجام دهید.

پرسش 2: به نظر شما آیا می‏توان میزان رسانایی حرارتی دسته‏های نانولوله ‏های کربنی تک دیواره را به رسانایی حرارتی نانولوله‏ های تک دیواره‏ ی مجزا نسبت داد؟

پرسش 3: آیا می‏ توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟


برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‏ های انجام شده، با افزودن تنها %1 از نانولوله‏ های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های نانولوله‏ های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

 

[P O U R I A]

هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی از منظر تئوری
وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله‏ ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏ های توده‏ای از نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله‏ های چند دیواره می‏باشد.
گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله ‏های کربنی را با روش‏های محاسباتی اندازه‏ گیری کرده‏اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای نانولوله‏ های تک دیواره نشان می‏ دهد.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف

در این شکل مقدار رسانایی با λ نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل (λ(T نشان داده‏ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده می‏شود که مقدار (λ(T در نزدیکی دمای K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می ‏یابد. بیشترین مقدار (λ(T که تاکنون در بررسی‏ های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏ گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار(λ(T نانولوله‏ ی کربنی در بیشینه‏ اش با بیشترین مقدار (λ(T که تاکنون اندازه ‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏ اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوان باشد.
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه ‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایس ه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه ‏ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از K270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می‏باشد، این اختلاف در دماهای پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ ی دیگر دارد.
همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏ های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه ‏های گرافن، برهم‏کنش‏ هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏ های بین لایه‏ ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏ های نانولوله ‏های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏ های نانولوله‏ های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله ‏ها کمتر باشد.

پرسش 4: چگونه می‏توانیم با استفاده از پدیده‏ی کاهش رسانایی حرارتی صفحات گرافن در حالتی که در کنار هم قرار گرفته‏اند، پیش‏بینی کنیم که رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آن‏ها کمتر است؟

 

[P O U R I A]

شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن (نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده ‏ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت می‏ باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.

هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک ‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه ‏گیری نمودند.

پرسش 5: در اینجا اشاره شد که می‏توان جهت قرارگیری نانولوله ‏های کربنی را با اعمال یک میدان مغناطیسی تنظیم کرد. به نظر شما این کار چگونه انجام می‏گیرد و اساسا دلیل این قابلیت نانولوله ‏ها چیست؟

در نمونه‏ هایی که قرارگیری نانولوله ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏ گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله‏ ها در چنین نمونه‏ ای به شدت در هم پیچ خورده ‏اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی ‏تر از فاصله‏ ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان نانولوله‏ ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏ های منظم از نانولوله‏ ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏ هایی که در بین نانولوله‏ های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله‏ ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏ های نانولوله‏ ها به دست آمد.
در مقاله‏ ی بعدی برخی مثال‏های استفاده از این خاصیت نانولوله ‏های کربنی را در نانوکامپوزیت‏ها بررسی می‏کنیم.

 

[P O U R I A]

در ادامه ........

نانولوله های کربنی می توانند به عنوان تقویت کننده ی کامپوزیت ها استفاده شوند و خواص ماده ی زمینه را به کلی تغییر دهند. یکی از این خواص که تغییر پذیر است، هدایت حرارتی یا رسانایی کامپوزیت است . با تحقیقاتی که دانشمندان روی یک نمونه اپوکسی انجام داده اند، پس از تشکیل کامپوزیت، رسانایی ماده 120% افزایش یافته است یا در یک نمونه نانو کامپوزیت آلومینا/نانو لوله کربنی در دمایی خاص، رسانایی کامپوزیت حتی تا بالای 200% افزایش یافته است.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در مقاله‏ی قبلی در مورد خواص هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی صحبت کردیم و برخی بررسی‏ های انجام شده توسط دانشمندان را بیان نمودیم. در این مقاله با بیان چند مثال از کاربرد نانولوله‏ های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ ها موضوع را ادامه می‏دهیم.

خاصیتی به نام هدایت حرارتی
انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی است. دانشمندان نظریه‏ های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح می‏کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه ‏های کاملا متفاوتی بوده و عده‏ ای برای تولید موادی با هدایت حرارتی بسیار بالا و عده‏ ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش می‏کنند. هر یک از این مواد می‏تواند کاربردهای گسترده‏ای در صنایع مختلف داشته باشد. امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت‏ ها، ایده‏ های زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده‏ اند.

پرسش 1: آیا می‏توانید کاربردهایی را برای مواد عایق حرارت نام ببرید؟ در مورد موادی که هدایت حرارتی بالایی دارند، چه مصارفی را می‏شناسید؟

رسانایی حرارتی بالای نانولوله‏ های کربنی می‏تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند تخلیه‏ ی حرارت پردازنده‏ های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک ‏ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی. امروزه برای خنک کردن پردازنده‏ های رایانه‏ ای بعضا از سامانه‏ های مختلفی از قبیل سامانه ‏های آب‏گرد استفاده می‏شود. اما ایده ‏ای که مدت‏هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته ‏بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت تخلیه ‏ی حرارتی بالایی داشته باشند.
پرسش 2: در مقاله ‏ی پیش رو، اعداد و ارقامی را بررسی خواهیم کرد که در آزمایشگاه‏ ها و توسط ابزارهایی خاص، در مورد میزان هدایت حرارتی اجسام به دست آمده ‏اند. بنابراین پیش از شروع این مبحث، لازم است تا در مورد نحوه‏ ی اندازه‏ گیری میزان هدایت حرارتی مواد اطلاعاتی را داشته باشیم. آیا روش ‏های بررسی این خصوصیت ماده را می‏دانید؟

 

[P O U R I A]

نانولوله ‏های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ها

1-کامپوزیت‏های زمینه ‏ی پلیمری
گروه‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏های اپوکسی / نانولوله‏ ی کربنی را بررسی کرده ‏اند. اپوکسی دسته‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‏ های کربنی را داخل زمینه‏ ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله‏ ی کربنی را بسازند. آن‏ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏ گیری کرده ‏اند و پس از مطالعه‏ ی نتایج آزمایش‏ هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله ‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان هم‏چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایس ه‏ای را بین نانولوله‏ های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین اپوکسی مشاهده می‏ کنید.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف

افزودن 1% وزنی نانولوله‏ ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می‏کند در حالی‏که همین مقدار از الیاف کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40% افزایش می‏دهد. بنابراین نانولوله‏ های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه‏ ی کامپوزیت‏ ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.

پرسش 3: در نمودار شکل 1 مشاهده می‏کنید که میزان بهبود در رسانایی حرارتی کامپوزیت حاصل از افزودن نانولوله‏ های کربنی همیشه روند افزایشی نداشته است. بلکه در مقدار برابر با نیم درصد وزنی (wt%5/0) کاهش یافته است. به نظر شما چرا چنین اتفاقی رخ داده است؟


پرسش 4: در مورد کاربردهای حرارتی اپوکسی مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی اپوکسی در چه زمینه ‏هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

 

[P O U R I A]

2- کامپوزیت‏های زمینه‏ی سرامیکی
گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن (C2H2) را از روی بستری از نانوذرات آلومینا (Al2O3) که روی سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه‏ی فرآیند CVD یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله‏ های کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده کردند و نانوکامپوزیت Al2O3/CNT (آلومینا / نانولوله‏ ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه‏ گیری‏های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این نمودار نتایج آزمایش‏های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه‏ ی قابل درکی از دو ماده‏ ی تقویت شده با نانولوله‏ کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته ‏ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است که برای داشتن مقایسه‏ ای قابل قبول میان دو ماده‏ ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده ‏ی حاصل تاثیر می‏گذارند و دیگر نمی‏توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب ‏های دو ماده‏ ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین نتایج قابل استناد نخواهند بود.

شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله‏ ی کربنی و برای آلومینای خالص که هر دو به یک روش تولید شده‏اند.

در اینجا مشاهده می‏شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت‏ ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می‏باشد. برای مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7/39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی‏گراد معادل با W/mk 90/44 میباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227% افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 درجه ی سانتی‏گراد برابر با W/mk 60/98 بوده که 169% رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در دمای 300 درجه‏ی سانتی‏گراد، با 218% رشد نسبت به آلومینای خالص، به W/mk 63/.52 می‏رسد.

پرسش 5: در مورد کاربردهای حرارتی آلومینا (Al2O3) مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی آلومینا در چه زمینه‏ هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟

اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی‏نظیر نانولوله‏ های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را در کامپوزیت بررسی کنند. همان‏گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله‏ های کربنی به دیگر مواد می‏ تواند بهبود چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت‏ ها نمود پیدا نمی‏کند. در مقاله‏ ی بعدی به جنبه‏ ای دیگر از تاثیر حضور نانولوله‏ های کربنی بر خواص هدایت حرارتی مواد خواهیم پرداخت.

 

[P O U R I A]

در ادامه ......

اتلاف حرارتی یکی از مشکلات بزرگ ساخت دستگاه های میکرو الکترونیک است. به علت وجود گاف های هوایی در تماس دو جسم با یکدیگر و ذکر این نکته که هوا عایق شدید گرماست، انتقال حرارت از قطعه ی مورد نظر به بیرون از دستگاه، در این مرحله بسیار کند است. با قرار دادن ماده‏ای مناسب مانند نانولوله‏های کربنی بین دو قطعه ی مورد نظر، می‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد و به انتقال حرارت به بیرون سرعت بخشید.

 

[P O U R I A]

مقدمه
در مقاله‏ ی قبلی دو مثال از کاربرد نانولوله‏ های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ های زمینه‏ ی پلیمری و زمینه‏ ی سرامیکی ارائه دادیم. مشخص شد که نانولوله‏ های کربنی تاثیر چشمگیری بر بالا بردن نرخ هدایت حرارت در این مواد زمینه دارند. در این مقاله با یکی از چالش‏ های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می‏شویم و به توانایی‏ های نانولوله‏ های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏بریم.

در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله‏ های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین دو قطعه‏ ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده ‏اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا موضوع اصلی این کاربری را مطرح می‏کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‏ ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک ‏سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می‏سازد. در این ادوات، فاصله ‏ای بین منبع تولید کننده‏ ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده ‏ای که وظیفه‏ ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد. از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده‏ ی تخلیه کننده ‏ی حرارت قرار دارد. برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده ‏ی زیر را مطالعه کنید.

مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده ‏ای گرم را در دستان خود بگیریم. می‏توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته‏ اید. در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می‏ کنید، اما اگر در دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می‏ کنید و در نتیجه داغی جسم از روی دست شما برطرف می‏ شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می‏توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.

 

[P O U R I A]

با توجه به مشاهده‏ ی بالا و مطالب بیان شده می‏ توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله ‏ی بین منبع حرارتی و ماده‏ ی تخلیه کننده‏ ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه ‏ای در قسمت‏های بر آمده و همچنین بسته‏ های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏گوییم) در قسمت‏هایی که از یکدیگر دور هستند، می ‏باشد (شکل 1). کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف‏ های هوایی عبور کنند. همان‏گونه که می‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده ‏ی دیگر جایگزین کنیم.

شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ‏تر از اندازه‏های واقعی رسم شده است.


موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه ‏ی موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می‏باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله‏ ی زیر می‏باشد:

1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده‏ ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده‏ ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده‏ ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)

پرسش 1: با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏ ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟

 

[P O U R I A]

هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون می‏شوند. بنابراین مرحله ‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

پرسش 2: با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه ‏ای ریاضی برای محاسبه‏ ی آن‏ها ارائه دهید؟

بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در برآمدگی‏ های سطح و همچنین گاف‏های پر شده از هوا صورت می‏گیرد. در واقع مرحله‏ ی محدود کننده‏ی سرعت (انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده‏ ی گرما)، همان مرحله‏ ای است که گرما باید از طریق گاف ‏ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی‏که این مرحله بسیار کند است، باید ماده‏ ای را در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف‏ های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.

پرسش 3: گفته شد که برای کارایی بهتر این ادوات میکروالکترونیک، باید تخلیه ‏ی حرارت به سرعت انجام پذیرد. آیا می‏توانید اهمیت و لزوم این موضوع را بیان نمایید؟

اکنون به تحقیق صورت گرفته می‏پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند. آلومینیوم و گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده ‏ی مورد نظر روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله‏ ی کربنی قرار داده شد. حالت اول برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده‏ های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2 می‏بینید.

شکل 2- شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم


نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.

همان‏گونه که دیده می‏شود، بدون در نظر گرفتن ماده‏ ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان گاف ‏های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می‏ شوند. با در نظر گرفتن ماده ‏ای مناسب مانند نانولوله ‏های کربنی، می ‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد.

 

[P O U R I A]

نانو الکترونیک

نانو الکترونیک

نانولوله های کربنی دارای خواص الکترونیکی نیز هستند . با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مساله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی و...مشکلاتی ایجاد شده است. یکی از ایده هایی که برای استفاده از خواص الکترونیکی نانولوله ها وجود دارد، استفاده از آنها به جای سیلیکون در مدارهای الکترونیکی است. نانولوله ها نیازی به لیتوگرافی ندارند و خیلی از مشکلاتی را که سیلیکون در مدارها ایجاد می کرد، ندارد. ولی مشکلات دیگری در پیش رو هست از جمله هزینه ی بالای ساخت نانولوله ها و دیگر این که نانولوله ها نسبت به فرایند بسیار حساس هستند و با اندکی تغییر و در مواجهه با بقیه ی قطعات و مواد، ممکن است از خود رفتار دیگری نشان دهند.

 

[P O U R I A]

مقدمه
رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو (ابعاد زیر 100 نانو متر)، همراه با مزایا و شگفتی‌های دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش‌ها و پرسش‌های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک و پژوهشگران فناوری نانو قرار داد. برخی از این چالش‌ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی می‌باشد. محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی مهم‌ترین چالش‌های نانو الکترونیک است.
افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می‌اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت‌هایی روبرو است، می‌توان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانو لوله‌های کربنی (Carbon Nano Tube) یا CNT در سال 1991 توسط ایجمیا رؤیای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانو لوله‌های کربنی با خواص خاص و چشم‌گیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه‌های گوناگون دانش قرار گرفت.
پژوهشگران نانو الکترونیک نیز از این کشف جدید غافل نشدند و به بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی پرداختند. ما در این مقاله بخشی از نتایج این پژوهش‌ها را به اختصار بیان می‌کنیم. تحلیل و بررسی تفصیلی این پژوهش‌ها مستلزم دانش بیش‌تر در زمینه‌ی فیزیک الکترونیک و کوانتوم و ریاضیات است که خارج از موضوع نوشتار ما است.

 

[P O U R I A]

چالش‌های نانو ترانزیستورها
همان طور که در مقاله‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی هم‌چون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتیجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند.
علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.


جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟
با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.

برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آن‌ها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.

در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آن‌ها را CNTFET (که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله‌های کربنی می‌باشد) می‌گویند، نمی‌توان از نانو لوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند (شکل 1).

شکل 1- نمای یک نانوترانزیستور واقعی

 

[P O U R I A]

همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانو لوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانو لوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی هم‌چون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد (شکل 2).

شکل 2-پایانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند

چالش‌هایCNTFET ها
با وجود توسعه و گسترش پژوهش‌ها درباره‌ی ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی، چالش‌های بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه‌ی ساخت نانو لوله‌های کربنی گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه‌ی بسیار نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت‌های بسیاری در خواص آن‌ها می‌شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده‌اند، اما قرار گرفتن آن‌ها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش‌ها و پژوهش‌های بسیاری است.

نتیجه و جمع‌بندی
نانو لوله‌های کربنی به دلیل خواص شگفت‌انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش‌های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد می‌شود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانو لوله‌های کربنی و بهینه‌سازی فرآیند ساخت و تولید آن‌ها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر می‌رسد استفاده از نانو لوله‌های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعت‌گران قرار خواهد گرفت.

 

[P O U R I A]

لباس مرد عنکبوتی با فناوری نانو

لباس مرد عنکبوتی با فناوری نانو

شاید با مشاهده فیلم مرد عنکبوتی همواره این سوال در ذهنتان شکل گرفته باشد که چگونه می شود که مرد عنکبوتی با کمک قابلیت لباس خود به در و دیوار بچسبد و از آنها آویزان شود؟ فیزیکدانان موفق به یافتن فرمولی برای ساخت لباس مرد عنکبوتی شده اند.

تحقیقات اخیر که در خصوص نیروهای واندرواس - نیروی ضعیفی که مولکول هایی که در نزدیکی هم قرار دارند نسبت یکدیگر دارند- بین مولکول ها و نقش آن در ایجاد این قدرت چسبندگی جادویی انجام گرفته است که جالب توجه است.

در پاهای عنکبوت تارهای مومانندی وجود دارد که به مولکول های سطوح مختلف حتی شیشه میچسبند و سبب می شوند تا عنکبوت محکم به آنها بچسبد و به راحتی روی آنها حرکت کند. پروفسور نیکولا پوگنو، مهندس و فیزیکدان دانشگاه پلی تکنیک در ایتالیا موفق به ساخت فرمول چسبی شده است که قدرت آن به حدی است که حتی می تواند وزن یک انسانی که از یک دیوار یا بام آویزان است را تحمل کند. قابل توجه اینکه قابلیت این چسب به گونه ای است که حتی فرد قادر است هر زمان که اراده کند خود را از این چسب رها کند.
در ساخت این چسب از فناوری نانولوله کربنی استفاده شده است تا با کمک آن قلاب ها و حلقه های نانومولکولی ساخته شود که دقیقا مانند چسب های نر و ماده (نرم و زبر) که در لباس و کیف استفاده میشوند عمل می کنند، البته در سطح میکروسکوپی.

این نیروی چسبنده و جداشونده در هنگام عمل بر اساس نیروهای واندرواس و چسبندگی مویرگی (جاذبه مویرگی) عمل می کنند. نکته قابل توجه در مورد تئوری ساخت این چسب این است که درست مانند پای عنکبوت ضد رطوبت است و به راحتی مواد دیگر به آن نمی چسبند (برخلاف چسب های نرم و زبر که پس از مدتی انواع پرز، مو و ... به آن می چسبند) . این ویژگی سبب می شود که خاصیت و قابلیت آنها در تمامی سطوح و در رطوبت (حتی در اعماق دریاها) نیز پایدار باقی بماند.
البته هنوز بر روی این کار تحقیقاتی در حال انجام است اما به نظر چندان دور نمی رسد که روزی را شاهد باشیم که انسانها با کمک کفش ها یا دستکش های ویژه ای به راحتی از برج ها و ساختمانهای بلند بالا میروند.

 

[P O U R I A]

آسانسور فضایی

آسانسور فضایی

آسانسور فضایی فعلا یک ایده ی خیالی است که اولین بار در حدود 35 سال پیش توسط "سی کلارک" مطرح شد. این ایده این است که بتوانیم یک آسانسور بسازیم که ما را تا کیلومترها از سطح زمین دور کند. برای ساخت این طرح بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: کابل، بالارونده و منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است.

 

[P O U R I A]

حتما بارها و بارها سوار آسانسور شده‌اید: طبقه اول، دوم، پنجم، دهم و ... . بلندترین آسانسور روی زمین در شهر دبی واقع شده است. این آسانسور می‌تواند شما را تا طبقه 160ام و به 818 متری زمین منتقل کند. اما آیا با کمک آسانسورها بیشتر از این هم می‌توان از زمین دور شد؟ چه می‌شد اگر آسانسورها می‌توانستند ما را تا جو زمین و یا حتی تا کره ماه بالا ببرند؟ آرزویی بسیار تخیلی و دور از دسترس است. آدم را یاد کتاب‌های ژول‌ورن می‌اندازد.
اما این بار ژول‌ورن نبود که در ذهنش با آسانسور به فضا رفت؛ بلکه آرتور سی کلارک بود که در سال 1975 و در کتاب "چشمه‌های بهشت" (یا فواره‌های بهشت) سوار بر یک آسانسور، به فضا سفر کرد. گویا پیش از اینکه کلارک این ایده را مطرح کند، در سال 1895 مهندسی روسی با الهام از برج ایفل، ساخت چنین وسیله‌ای را پیشنهاد کرده بود.

اما آیا دنیای واقعی و قوانین فیزیکی به ما اجازه می‌دهند که همانند دنیای خیالی، این پلکان فضایی را بسازیم؟
برای ساخت این پلکان فضایی لازم است بتوانیم محلی را در آسمان پیدا کنیم که اگر جسمی در آن قرار گیرد، نسبت به زمین ثابت باقی بماند. در این صورت شاید بتوان طنابی را از این نقطه آسمانی به سطح زمین انداخت و یک سیستم آسانسوری که زمین را به آسمان وصل می‌کند، راه‌اندازی کرد. بر اساس قوانین و محاسبات اختر فیزیکی، در ارتفاع 35600 کیلومتری زمین، می‌توان مداری ثابتی را تصور کرد که فضاپیماها با قراگیری در آن می‌توانند هر 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه، یک بار به دور زمین بگردند. این زمان، طول مدت یک شبانه‌روز زمینی است. یعنی فضاپیماها با قراگیری در این مدار، نسبت به زمین ثابت می‌مانند. برای اینکه تعادل این مجموعه حفظ شود،لازم است این طناب را 64 هزار کیلومتر دیگر نیز امتداد داد و آن‌را به یک وزنه تعادلی وصل کرد.
اکنون که می‌دانیم قوانین فیزیکی مانع ساخت آسانسور فضایی ما نمی‌شوند، می‌توانیم در مورد چگونگی ساخت و اجزای آن بهتر فکر کنیم. بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک کابل، یک بالارونده و یک منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است. از نگاه دانشمندان گره اصلی ساخت این مجموعه، ساخت کابل آسانسور است. ریسمان بسیار محکم و سبکی که بتواند هزاران کیلومتر کشیده شود.اگر از یک ریسمان معمولی برای ساخت این کابل استفاده کنیم، با توجه به طول کابل و فشاری که در اثر وزن خود به بست‌های انتهای آن در ایستگاه فضایی وارد می‌شود، لازم است که قطر کابل با کاهش ارتفاع و نزدیک‌تر شدن به سطح زمین، کمتر شود و حالت مخروطی به خود بگیرد. یک کابل معمولی که ضخامتش در سطح زمین به اندازه یک ریسمان پهن است، در ارتفاع 36 هزار کیلومتری باید قطری به اندازه خود زمین داشته باشد! نباید نگران این مشکل و تحقق ایده آسانسور فضایی بود، فناوری نانو می‌تواند این مشکل را حل کند.

 

[P O U R I A]

تقریباً تا 10سال پیش تمامی کابل‌هایی که برای آسانسور فضایی پیشنهاد می‌شد، از ورقه‌های استیل و فلزی ساخته شده بود. با کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991، دانشمندان فضایی متوجه این نانوساختار کربنی شدند. ماده‌ای که یکصد برابر محکم‌تر از استیل و 50 هزار برابر ریزتر از یک موی انسان است و تنها یک گرم از این ماده، برای ساخت نخی به طول 29 کیلومتر کافی است. این صفحه‌های گرافن لوله شده، ترکیبی استوانه‌ای از اتم‌های کربن هستند که به کمک آنها می‌توان کابلی به نازکی کاغذ و به محکمی الماس ساخت. با توجه به وزن بسیار کم نانولوله‌های کربنی، برای تنظیم فشار وارد بر بست‌های انتهای آسانسور کافی است که قطر کابل در ارتفاع 36 هزار کیلومتری تنها 9 برابر قطر آن در سطح زمین باشد. نکته قابل توجه در استفاده از نانولوله‌های کربنی این است که رشته‌های طولانی از این ماده، ساختار شکننده‌ای دارند. دانشمندان برای حل این مشکل، نانولوله‌های جدا از هم را در یک ساختار تارگونه در هم تنیده و آنها را به رشته‌های محکم‌تر و طولانی‌تری تبدیل کرده‌اند.


دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با تکمیل هسته‌ی اولیه‌ی کابل، می‌توان وسایل مکانیکی‌ای با نام «بالارونده‌» را بر روی کابل سوار کرد. بالارونده‌ها، عمان طور که از نامشان برمی‌آید، به کمک غلطک‌هایی پلاستیکی بالا و پایین می‌روند. تابش نور لیزر یکی از گزینه‌های پیشنهادی برای تامین انرژی آسانسور است. لیزری که از روی سکوی مبدأ، بر صفحه‌های خورشیدی انتهای بالارونده‌ها متمرکز می‌شود و نیروی لازم برای حرکت موتورها را فراهم می‌کند.
ایده آسانسورهای فضایی تا پیاده‌سازی و تبدیل شدن به یک دستگاه واقعی هنوز راه زیادی را در پیش دارد و انتظار نمی‌رود که تا قبل از ده سال آینده، به حقیقت بپیوندد؛ اما مفهوم آن در حال گسترش است و روزبه‌روز علاقمندان بیشتری پیدا می‌کند.
ناسا نیز در راستای برنامه مسابقات صد سالگی خود، جایزه‌ای 5 میلیون دلاری را با اعتبار 5 ساله به نام مسابقه 2010 برای کار روی آسانسور فضایی تعیین کرده است.
تیم‌های شرکت‌کننده در این مسابقه باید بتوانند یک نمونه کوچک‌مقیاس از آسانسور خود را بسازند که بتواند فاصله‌ای به طول یک کیلومتر را عمودی و با حداقل سرعت متوسط 2 متر بر ثانیه بپیماید. بهترین نتیجه‌ای که تاکنون بدست آمده، رسیدن به ارتفاع 100 متری با سرعت 1.8 متر بر ثانیه بوده است.
دوره آموزشی آسانسور فضایی
معلم محترم: این دوره برای دانش آموزان استرالیایی سال هفتم طراحی شده است و می‌توان آن‌را در یک کلاس درس، یک باشگاه علمی و یا کارگاهی با موضوع فناوری‌های نو، پیاده کرد. در قالب این دوره می‌توان، موضوع نانولوله‌های کربنی را با کمک ایده جالبی همچون آسانسور فضایی باز کرد. در حقیقت، در این دوره آسانسور فضایی پوششی است برای معرفی کردن نانولوله‌های کربنی، بیان خواص منحصر به‌فرد این ساختار و ایجاد درک ملموسی از اهمیت این خواص. در طراحی این دوره، 5 فعالیت و 2 آزمایش پیش‌بینی شده است. ازاین‌رو در بسته آموزشی آسانسور فضایی، علاوه بر فایل ارائه و راهنمای معلم، 10 پوشه آموزشی دیگر نیز تهیه شده است. که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود.

این دوره به شکلی طراحی شده که تا حد زیادی می‌توان آن‌را به‌طور خودآموز دنبال کرد. شما با دیدن فایل ارائه و انجام فعالیت‌ها و آزمایش‌ها به ترتیبی که در این فایل آمده، می‌توانید این دوره را برای خود اجرا کنید. بعلاوه مقاله‌های مرتبط سایت نیز می‌توانند، به طی بهتر دوره به شما کمک نمایند. اگر سوالی داشتید، می‌توانید از طریق سایت (info@nanoclub.ir) با گروه نویسندگان مکاتبه کنید.

​

فایل ارائه
​

 

[P O U R I A]

حقیقات جدید در مورد ارتقاء کیفیت الیاف نانولوله های کربن

حقیقات جدید در مورد ارتقاء کیفیت الیاف نانولوله های کربن

اگرچه طی دو دهه اخیر در زمینه تولید کامپوزیت های تقویت شده با نانولوله های کربن پیشرفتهای چشمگیری حاصل شده است، اما هنوز باید بر موانع فنی زیادی فائق آمد تا بتوان از نانولوله ها که قطر آنها حدود یک الی دو نانومتر است و طول آنها در حد چند میکرون می باشد در ابعاد ماکروسکوپیک استفاده نمود. به همین منظور دانشگاه هایی از سراسر دنیا در مورد تولید الیاف نانولوله های کربن تحقیق می کنند.
آخرین تحقیقات دانشگاه کارولینای شمالی و دانشگاه رایس در مورد تولید الیاف، پارچه و کامپوزیت نانولوله های کربن در این مقاله آورده شده است.



پیچش انبساطی (Stretch Winding) کامپوزیت نانولوله های کربن
دانشکده مهندسی و علوم مواد دانشگاه کارولینای شمالی برای تولید یارن، صفحات و ورق های کامپوزیتی تقویت شده با نانولوله های کربن، از روش جدید پیچش انبساطی نانولوله های کربن استفاده کرده است.
گروه تحقیقاتی این دانشگاه روی مهم ترین خواص نانولوله های کربن تقویت کننده این کامپوزیت ها مطالعه کرده است. تاثیر نانولوله های بلند بر خواص نهایی کامپوزیت، تاثیر کسر حجمی بالای نانو لوله ها بر کامپوزیت، تاثیر به صورت ردیفی قرار گرفتن نانولوله های کربن بر خواص کامپوزیت و استفاده از رزین زمینه پلیمری جهت کنار هم قرار گرفتن نانولوله های کربن و به تبع آن بالا رفتن نسبت کربن به پلیمر از جمله موضوعات دیگری هستند که محققان دانشگاه کارولینای شمالی روی آن تحقیق می کنند تا بتوانند کامپوزیت هایی با استحکام بالا تولید نمایند.
محققان مذکور به این نتیجه رسیده اند که برای افزایش مقاومت این کامپوزیت ها در برابر بارهای وارده، باید نحوه چیدمان نانولوله های کربن در کامپوزیت بهینه شود و کسر حجمی نانولوله های کربن افزایش یابد.
بخش های صنعتی خواهان آن هستند که با استفاده از نانولوله های کربن، استحکام مکانیکی، سفتی و رسانایی الکتریکی کامپوزیت ها افزایش یابد. بنابراین محققان دانشگاه کارولینای شمالی قصد دارند کامپوزیتهایی تولید کنند که در آنها نسبت نانولوله های کربن بیشتر از رزین زمینه پلیمری باشد.
50 الی 60 درصد وزن کامپوزیت هایی که توسط محققان دانشگاه کارولینای شمالی تولید می شود، از نانولوله های کربن تشکیل شده است. بر خلاف محققان دیگر که نانو لوله های کربن را به رزین زمینه پلیمری اضافه میکنند، محققان دانشگاه کارولینای شمالی رزین زمینه پلیمری را به نانولوله های کربن می افزایند.
این محققان به روش رسوب دهی شیمیایی فاز بخار (تبخیر شیمیایی)، نانو لوله های کربن چند جداره ای تولید کردند و چند نوع رزین گرمانرم زمینه پلیمری و پلیمر تقویت شده با الیاف کربن را به آنها افزودند. پلیمرهایی که به نانولوله های کربن چند جداره اضافه شدند عبارت بودند از: رزینهای پلی وینیل استات، اپوکسی، پلی ایمید و نایلون.
فناوری انحصاری دانشگاه کارولینای شمالی در پیچش انبساطی نانولوله های کربن به همراه ریسیدن و خشک کردن آن سبب می گردد که نوارهای ممتدی از نانولوله های کربن تولید گردد. در این فناوری ابتدا الیاف نانولوله های کربن تولید می شود. سپس در دستگاه ریسندگی، الیاف مذکور روی یک صفحه افقی قرار میگیرند و دور یک سنبه پیچیده می شوند. آنگاه برای اینکه بین الیاف پیوند واندروالس ایجاد گردد و الیاف در کنار یکدیگر باقی بمانند، آنها را به رزین زمینه پلیمری آغشته می کنند. در نهایت از کنار هم قرار گرفتن الیاف، نوار نانولوله های کربن تولید می شود. فرآیند پیچش انبساطی و ریسیدن الیاف نانولوله های کربن در یک دستگاه ریسندگی انجام می شود اما این دو فرآیند در بخشهای مختلف دستگاه مذکور اجرا می گردند. سنبه ای که الیاف نانولوله های کربن روی آن پیچیده می شوند، می چرخد و به این ترتیب الیاف تاب بر نمی دارند.

 

[P O U R I A]

فناوری دانشگاه کارولینای شمالی از این مزیت برخوردار است که از ابتدا الیاف نانولوله های کربن در یک ردیف قرار می گیرند و در نهایت نوارهای یکدستی از نانولوله های کربن تولید می گردد. از آنجا که در این نوارها، الیاف نانولوله های کربن تاب ندارند، پیچش انبساطی الیاف نانو لوله های کربن باعث می شود که استحکام و سفتی کامپوزیت به ترتیب 90 و 100 درصد افزایش یابد.
در کامپوزیتی که با الیاف مذکور تولید می شود، رسانایی حرارتی تقریباً سه برابر و رسانایی الکتریکی نیز 50% افزایش می یابد. خواص مکانیکی کامپوزیت هایی که با استفاده از فناوری انحصاری دانشگاه کارولینای شمالی تولید می شود، از خواص مکانیکی کامپوزیتهای پیشرفته موجود در بازار برتر می باشد.
در فرایند پیچش انبساطی نانولوله های کربن باید طول نوارهای نانولوله های کربن زیاد باشد و در دنیا فقط چند موسسه تحقیقاتی وجود دارند که می توانند چنین نوارهای طویلی را تولید کنند. بیشتر موسسات تحقیقاتی با استفاده از روش ریسیدن محلول، توانسته اند الیاف کوتاه نانولوله های کربن را تولید کنند.
لازم به ذکر است که روش ریسیدن محلول شامل یک فرایند چهار مرحله ای است که عبارتند از:

1- حل کردن ماده تشکیل دهنده الیاف در یک حلال
2- هم زدن و ریسیدن محلول مذکور
3- عبور دادن از یک حمام انعقاد و کشیدن آن از دستگاه رشته ساز به صورت الیاف جامد
4- فرایندهای شستن، خشک کردن و حرارت دهی.​

محققان دانشگاه کارولینای شمالی معتقدند که اگر فناوری انحصاری خود را ارتقاء بخشند می توانند برای بخش صنعت، الیاف نانولوله های کربن بلندتری تولید کنند. این فناوری برای بازار کامپوزیت ها آینده درخشانی را نوید میدهد. با این فناوری هزینه تولید الیاف نانولوله های کربن به اندازه الیاف کربن یا پایین تر از آن خواهد بود. به این ترتیب می توان با هزینه کمتر رویای تولید تیغه های توربین تقویت شده با نانولوله های کربن و تولید تیرچه های یکپارچه را تحقق بخشد. ضمناً می توان برای صنعت هوافضا و خودرو نیز قطعاتی با استحکام بالا تولید نمود. به علاوه از الیاف نانولوله های کربن دانشگاه کارولینای شمالی می توان در کاربردهای پزشکی و بازار لباس های هوشمند با قابلیت رسانایی الکتریکی و حرارتی نیز بهره جست.



کیفیت الیاف نانولوله های کربن اکسترود شده به کیفیت نانولوله ها بستگی دارد
بخش تحقیقیاتی دانشگاه رایس موفق شد با استفاده از فرآیند ریسندگی تر، الیاف نانولوله های کربن را تولید کند. فرایند مذکور شبیه همان فرایند ریسندگی تر است که در تولید الیاف پلیمری مورد استفاده قرار می گیرد.
در فرایند ریسندگی تر، پلیمر در یک مایع آلی یا معدنی حل می گردد و از میان سوراخ های رشته ساز بیرون می آید. سپس تارهای مذکور از حمام انعقاد عبور می کنند. در این مرحله بر روی تارها واکنش فیزیکی و شیمیایی انجام میشود. پس از اینکه تارها از حمام خارج شدند، به الیاف تبدیل می گردند.
در فرایند ریسندگی تر دانشگاه رایس، پودر نانولوله های کربن به صورت محلول در می آید. در این هنگام به محلول مذکور یک مایع منعقد کننده اضافه می گردد تا حلال را خشک کند. سپس طی فرایند اکستروژن، الیاف نانولوله های کربن تولید می گردد.
از این الیاف به راحتی می توان استفاده نمود به عنوان مثال: گروه تحقیقاتی دانشگاه رایس توانستند سوزن هایی را با این الیاف نخ کنند و با آنها دوخت های خاصی را انجام دهند. به علاوه آنها موفق شدند این الیاف را روی قرقره بپیچند و مانند نخ های معمولی با آنها کار کنند.
رسانایی حرارتی الیاف مذکور، بیشتر از میزانی بود که انتظار می رفت. این محققان سعی دارند پی ببرند که آیا بین نوع نانولوله ای که در فرایند ریسندگی تر مورد استفاده قرار می گیرند (در این مورد خاص، پودر نانولوله کربن) و خواص الیافی که با این نانولوله ها تولید می شوند ارتباط خاصی وجود دارد؟ محققان مذکور اطلاعاتی که در مورد عملکرد پودر نانولوله های کربن به دست آورده اند را در اختیار شرکتهای تولید کننده نانولوله های کربن قرار می دهند تا آنها بتوانند کیفیت پودر نانولوله های کربن خود را ارتقا بخشند.
طی دهه های اخیر، چند شرکت و آزمایشگاه تحقیقاتی از الیاف نانولوله های کربن استفاده کرده اند اما این بار دانشگاه رایس با روشی متفاوت به تولید الیاف مذکور پرداخته است. در روشهای قبلی، نانولوله های کربن و الیاف آنها به صورت همزمان تولید می شدند. در روش ریسندگی تر دانشگاه رایس، هنگام عبور تارهای نانولوله های کربن از داخل حمام انعقاد، واکنش های فیزیکی و شیمیایی داخل حمام روی تارها تغییراتی ایجاد می کند و به این ترتیب تارها به صورت الیاف ممتد از حمام خارج می شوند.
یکی از مزایای این روش، یک مرحله ای بودن آن است اما در این روش کیفیت الیاف به کیفیت نانولوله ها بستگی دارد. به عبارت دیگر نمی توان از هر نوع نانولوله کربن، الیافی با کیفیت بالا تولید نمود.
در روش دانشگاه رایس پس از تولید نانولوله های کربن، آنها را شستشو دادند و نانولوله ها در اختیار محققان قرار گرفتند. محققان نیز الیاف نانولوله های کربن را تولید نمودند. به این ترتیب الیاف مذکور طی چند مرحله و با کیفیت بالا تولید شدند. محققان دانشگاه رایس به نانولوله های بلند و ظریفی به طول 5 الی 10 میکرون (میکرون یک میلیونیم متر است) و قطر 1 الی 3 نانومتر (نانومتر یک میلیاردیم متر است) نیاز داشتند. به گفته محققان مذکور، هرچه نانولوله ها بلندتر باشند، الیاف از خواص مکانیکی بهتری برخوردار خواهند بود. آنها به این نتیجه رسیدند که مهم نیست نانولوله های کربن تک جداره یا چندجداره باشند، نکته مهم این است که نانولوله ها باید از ساختار بی عیبی برخوردار باشند مثلاً در آنها سوراخی وجود نداشته باشد. در این صورت کیفیت الیاف نانولوله های کربن افزایش مییابد. با تحقیقات دانشگاه رایس در مورد بالا بردن کیفیت، خواص و عملکرد الیاف نانولوله های کربن اطلاعات بیشتری به دست آمده است.


منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت-شماره 50

 

[P O U R I A]

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت اول)

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت اول)

فورلن یکی از آلوتروپ ها (دگر شکل های) مصنوعی عنصر کربن است که از گرما دادن به گرافیت ساخته می شود. این ماده در اشکال کروی، بیضوی و استوانه ای وجود دارد و به جهت شباهت به توپ فوتبال، به آن باکی بال نیز گفته می شود. آلوتروپ (دگر شکلی یا چندگونگی) عبارتست از وجود حالت های ساختاری متفاوت برای یک عنصر. عناصر دگر شکل از لحاظ ساختار شیمیایی، همسان هستند اما ویژگی های فیزیکی متفاوتی (نظیر چگالی، قابلیت حل شدن و غیره) دارند. کربن، گوگرد و آهن دارای آلوتروپ می باشند. دگر شکلی به ساختار پیوند شیمیایی بین اتم های یک عنصر بستگی دارد و نباید با حالت های فیزیکی مواد (مثلاً بخار آب یا یخ) اشتباه گرفته شود. زیرا این حالات در اثر تغییر در پیوند های فیزیکی بین مولکول های آب ایجاد می شوند، نه به سسب تغییر در پیوندهای شیمیایی درون مولکول آب. فورلن آخرین آلوتروپ شناخته شده کربن است که به دو دسته باکی بال و نانولوله های کربن تقسیم می شود. اندازه فورلن ها در حد یک میلیاردیوم متر است.
از سال 1970 میلادی دانشمندان پی بردند که به جز آلوتروپ های رایج کربن که به شکل ذغال سنگ، دوده، الماس و گرافیت موجود می باشند، در طبیعت فولرن های کربن نیز مجود دارند. در سال 1985 میلادی، محققانی از دانشگاه رایس (واقع در ایالت تگزاس آمریکا) نظیر کروتو، کِرل و اِسمالی، فورلن C60 را کشف نمودند. به همین علت در سال 1996 میلادی جایزه نوبل در رشته شیمی به آنها اعطا گرید. بلافاصله پس از کشف این آلوترپ جدید کربن، تحقیق در مورد آن اغاز شد. فورلن ها علاوه بر اشکال کروی (باکی بال ها) در اشکال بیضوی و لوله ای نیز وجود دارند. همه این اشکال ساختاری توخالی و قفس مانند دارند که در آنها هر اتم کربن با یک پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل می شود. لازم به ذکر است که بین دو اتم غیر فلزی، پیوند کووالانسی ایجاد می شود. به عبارتی دیگر وقتی این اتم ها به یکدیگر نزدیک می گردند، بین آنها جاذبه الکتریکی ایجاد می شود. این اتم ها با به اشتراک گذاشتن یک الکترون، در کنار یکدیگر می مانند. در سال 1991 میلادی اولین نانولوله کربن تولید شد و به خاطر خواص منحصر به فرد و شکل پذیری فوق العاده خوبی که از خود نشان داد، بسیار مورد توجه قرار گرفت.

در شکل 1 ساختار نانولوله کربن نمایش داده شده است. این شکل یک نانولوله تک جداره را نشان می دهد. لازم به ذکر است که در سر تا سر نانولوله های کربن، پیوندهای sp2 وجود دارد که از پیوندهای sp3 موجود در الماس قویتر می باشد. گفتنی است که در اطراف هسته اتم، اوربیتال ها به صورت پلکانی قرار گرفته اند. به طوریکه اوربیتال s قبل از اوربیتال p قرار دارد و اوربیتال s به هسته نزدیکتر است. به این ترتیب الکترون ها ابتدا اوربیتال های نزدیک به هسته را پر می کنند و بعد به سراغ اوربیتال های بالاتر و پر انرژی تر می روند.



پیش بینی می شود که طی دهه آینده نیز بین تولیدکنندگان و مصرف کنندگان الیاف کربن چنین ارتباط لازم و ملزومی وجود داشته باشد. زیرا تا آن زمان در سایه آشنایی بیشتر با مزایای استفاده از الیاف کربن، تولیدکنندگان بیشتری به استفاده از این محصول روی خواهند آورد. اگر تولیدکنندگان به این باور برسند که الیاف کربن از این پتانسیل برخوردار است که در بازار محصولات آنها تغییرات اساسی ایجاد نماید، حاضر میشوند در قبال تولیدکنندگان الیاف کربن تعهدات مالی بیشتری را بپذیرند.

ادامه دارد ...
منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت دوم)

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت دوم)

تا کنون نانولوله های چند جداره نیز ساخته شده اند که همان نانولوله های تک جداره متحدالمرکز می باشند. امروزه موادی در دست تولید هستند که بر پایه نانولوله های کربن می باشند و چون نانولوله ها از خواص منحصر به فردی برخوردار می باشند، مواد مذکور از این قابلیت برخوردار هستند که جایگزین مواد سنتی گردند.
می توان نانولوله های کربن را به صورت ورق های نازک در آورد. فیلم نانولوله کربن نوع خاصی از ورق نانولوله کربن است. در سمت چپ شکل 2 تصویر فیلم نانولوله کربن (buckypaper) ملاحظه می گردد که توسط میکروسکوپ اسکن الکترونی گرفته شده است. در سمت راست آن نیز ورق بزرگی از نانولوله کربن مشاهده می شود که توسط شرکت نانوکامپ تکنالجیز (واقع در ایالت نیوهمپشایر، امریکا) تولید شده است.

لازم به ذکر است که دانشمندان برای تولید فیلم نانولوله کربن، نانولوله های کربن را در آب حل کردند و محلول را توسط یک صافی نانومقیاس صاف نمودند و به این ترتیب صفحه بسیار نازک (فیلم) نانولوله کربن را تولید کردند. پیشرفت هایی که در زمینه تولید فیلم نانولوله کربن حاصل شده است، سبب گردیده که در کاربردهای سازه ای، پوشش محافظ تداخل الکترومغناطیسی (برای استفاده در تجهیزات الکترونیکی حساس) و در مبدلهای حرارتی از این نوع نانولوله های کربن استفاده گردد.
در سال 2010 میلادی آقایان گیم و نُووسِلوف به خاطر کشف گرافن جایزه نوبل را در رشته فیزیک دریافت نمودند. گرافن یکی دیگر از نانوموادی است که بر پایه کربن می باشد و تا کنون بسیار مورد توجه قرار گرفته است. گرافن یک لایه از گرافیت است که ضخامت آن به اندازه یک اتم می باشد. همانطور که در شکل 3 ملاحظه می گردد ساختار گرافن شبیه نانولوله کربن است با این تفاوت که نانولوله کربن به شکل لوله اما گرافن یک ساختار دو بعدی دارد.

از آنجا که گرافن بسیار شفاف است و از خاصیت رسانایی الکتریکی بالایی برخوردار می باشد، از پتانسیل بالایی برخوردار است تا در سلول های خورشیدی، صفحه نمایش بلور مایع (ال سی دی) و در دیودهای نوری مورد استغاده قرار گیرد.
لازم به ذکر است که سلول خورشیدی یا سلول فتووُلتائیک یک قطعه الکترونیکی است که تشعشات خورشیدی را به جریان الکتریسیته تبدیل می کند.
بلورهای مایع نیز موادی هستند که ظاهری شبیه مایع دارند اما مولکول های آنها نسبت به یکدیگر دارای آرایش خاصی می باشند. به همین دلیل بلور مایع، هم خصوصیات مایعات و هم خصوصیات جامدات را از خود نشان می دهد. این مواد به شدت نسبت به دما حساس هستند و با اندکی حرارت به حالت مایع در می آیند. دسته ای از آنها به الکتریسیته نیز حساس می باشند.
دیود (دوقطبی الکتریکی یا یکسوساز) قطعه ای الکترونیکی و دو سر است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی را نشان می دهد.
نانولوله های کربن بسته به ساختار خود، دارای خاصیت رسانایی و نیمه رسانایی می باشند و می توانند جریان های الکتریکی با چگالی بالا را از خود عبور دهند. لازم به ذکر است که چگالی جریان الکتریکی یک کمیت برداری می باشد که اندازه آن برابر است با مقدار جریان الکتریکی که از واحد سطح عبور می کند.
رسانایی حرارتی نانولوله های کربن در راستای محور آنها بیشتر و تقریباً ده برابر مس است. نانولوله های کربن در راستای محور شعاعی خود از خاصیت عایق حرارتی بالایی برخوردار می باشند.
نانولوله های کربن علاوه بر دارا بودن خواص الکتریکی و حرارتی بی نظیر، از استحکام و سفتی فوق العاده ای نیز برخوردار می باشند. بنابراین پتانسیل بالایی دارند تا در کاربردهای ساختاری مورد استفاده قرار گیرند.
قطر نانولوله های کربن بین 1 تا 10 نانومتر است و طول آنها کمتر از 1 میکرون الی چند میلیمتر می باشد.
در راستای محوری، استحکام کششی نانولوله های کربن تقریباً ده برابر الیاف آرامید است. شرکت ریتیون (یکی از بزرگترین تولید کنندگان تجهیزات نظامی برای کشور آمریکا) نانولوله های کربنی تولید کرده است که برای حفاظت در برابر تداخل امواج الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرند. ضمناً در کاربردهایی که به موادی با استحکام بالا و در عین حال سبک نیاز دارند، از نانولوله های مذکور به عنوان واسطه حرارتی استفاده می گردد.
امروزه مراکز تحقیقاتی وابسته به دانشگاه ها، مطالعاتی انجام می دهند تا بتوانند برای نانولوله های کربن کاربردهای بیشتری بیایند. با این وجود هنوز بر سر راه توسعه فناوری نانولوله های کربن و استفاده از این مواد در دنیای واقعی چالش های زیادی وجود دارد. بیشتر اوقات نانولوله های چند جداره نسبت به نانولوله های تک جداره از خود عملکرد پایین تری نشان می دهند.
امروزه در زمینه فناوری رشد دادن نانولوله های کربن، جهت قرار گرفتن نانولوله های کربن و در زمینه تولید نانولوله های چند جداره تحقیقاتی در حال اجرا می باشد و تا کنون نیز در این زمینه پیشرفت هایی حاصل شده است. با وجودیکه بیست سال از تولید نانولوله های کربن می گذرد، پتانسیل های نانولوله های کربن به تازگی شناخته شده اند.

ادامه دارد ...
منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت سوم)

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت سوم)

خواص نانومواد پایه کربنی
در کاربردهایی که به استحکام بالا و وزن پایین نیاز است، نانولوله های کربن و فیلم آنها (buckypaper) بهتر از مواد سنتی جواب می دهند. اگرچه در آزمایشگاه ها استحکام کششی نانولوله های کربن تک جداره 10 تا 150 گیگاپاسکال به دست آمده است، اما استحکام کشش الیاف و فیلم های نانولوله های کربن بسیار کمتر از این مقدار می باشد. به عبارت دیگر استحکام کششی پیشرفته ترین الیاف و ورق های نانولوله های کربن به ترتیب 1.5 تا 3 و 0.4 تا 1.2 گیگاپاسکال می باشد. استحکام کششی الیاف آرامید 3.7 گیگاپاسکال است بنابراین هنوز استحکام کششی الیاف و ورق نانولوله های کربن خیلی پایین تر از استحکام کششی الیاف آرامید است. استحکام کششی الیاف و ورق های نانولوله های کربن مساوی یا بیشتر از الیاف و ورق های مس، آلومینیوم و فولاد است. چگالی مواد مذکور معمولاً کمتر از یک گرم بر سانتیمتر مکعب است اما نسبت استحکام به وزن الیاف و ورق های نانولوله های کربن بسیار بیشتر از الیاف آرامید، مس، آلومینیوم و فولاد می باشد. استحکام کششی و چگالی مواد پایه کربنی و چند ماده شناخته شده دیگر در شکل 4 نشان داده شده است.



روش های تولید نانولوله های کربن
هنوز هم تولید نانولوله های کربن با چالش هایی رو به رو می باشد زیرا نانولوله های مذکور از استحکام تسلیم پایینی برخوردار هستند (تنشی که در آن تغییر شکل مومسان یا برگشت ناپذیر آغاز می گردد) و بسیار اتفاق می افتد که از خود خواص گوناگون و غیرقابل پیش بینی نشان دهند. علت این امر هم به خاطر کم بودن قطر و طول نانولوله های کربن و عدم تقارن (دستسانی یا کایرالیتی) آنهاست. از این روست که نانولوله های کربن هم خواص رسانا و هم خواص نیمه رسانا را از خود نشان می دهند. توضیح اینکه در علم شیمی، دستسانی یعنی اینکه تصویر یک جسم در آینه بر خود جسم منطبق نمی گردد(همانگونه که دست راست بر روی دست چپ منطبق نمی شود). دستسانی شاخصی است برای تمایز انواع نانولوله های کربن و در تعیین خواص نانولوله های کربن نقش تعیین کننده ای دارد. برای تولید نانولوله های کربن از چند روش استفاده می شود که از رایج ترین آنها می توان به فرآیند رسوب شیمیایی فاز بخار، تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری اشاره نمود. در هر یک از این فرآیندها متغیرهایی وجود دارد که بر روی همسانی و خلوص نانولوله های کربن تأثیر می گذارند. هرکدام از این فرآیندها عیوبی هم دارند بنبراین کیفیت نهایی و کاربرد نانولوله های کربنی که با روش های مختلف تولید می گردند با یکدیگر تفاوت دارند.
با استفاده از فرآیند رسوب شیمیایی فاز بخار می توان نانولوله های کربن را در مقیاس انبوه تولید نمود. به همین خاطر برای تولید نانولوله های کربن در مقیاس صنعتی از این فرآیند استفاده می شود. در روش رسوب شیمیایی فاز بخار با استفاده از فرآیندهای شیمیایی گرمازا، کاتالیست هایی نظیر کبالت، مولیبدن، آهن و نیکل بر روی هسته ای از فلز تنگستن رسوب می کنند. در دماهای بالا مثلاً 700 تا 1000 درجه سانتیگراد، ترکیبات کربن دار بخار می شوند. در فرآیند رسوب شیمیایی فاز بخار به کمک پلاسما، که در آن برای افزایش سرعت واکنش شیمیایی از پلاسما استفاده می شود، این دما پایین تر است. پس از رسوب کردن کربن بر روی هسته فلز تنگستن، نانولوله های کربن بر روی کاتالیست رشد می کنند.
در فرآیند تخلیه قوس الکتریکی از تجهیزات ارزان قیمتی استفاده می شود. بنابراین در مراکز تحقیقاتی برای تولید نانولوله های کربن از این فرآیند استفاده می شود. در فرآین تخلیه قوس الکتریکی از دو میله گرافیتی به عنوان الکترود (کاتد و آند) استفاده می شود. در امتداد الکترود آند (که جریان الکتریکی به آن وارد می شود) حفره ای ایجاد می گردد و با مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیست پر می شود. کاتد و آند به صورت افقی درون یک رآکتور نصب می شوند. پس از برقراری خلأ مناسب و با ورود گاز هلیم، یک جریان برق مستقیم بین 50 تا 100 آمپر از میان دو الکترود گرافیتی عبور می کند و بین آنها قوس الکتریکی ایجاد می شود. گرمای زیاد حاصل از ایجاد قوس الکتریکی، آند گرافیتی توخالی را تبخیر و یونیزه می کند. اتم های کربن دارای بار منفی به سمت کاتد (یا الکترود منفی که جریان الکتریسیته از آن خارج می گردد) حرکت کرده و با گرفتن الکترون بر روی سطح کاتد رشد می کنند.


ادامه دارد ...

منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت چهارم)

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت چهارم)

روش های تولید نانولوله های کربن (ادامه)
در فرآیند سایش لیزری نیز با استفاده از لیزر پر قدرت (لیزر ضربانی یا پیوسته)، گرافیت تبخیر می شود، آنگاه کربن بر روی یک زیر لایه سرد قرار می گیرد و متراکم می شود و نانولوله های کربن تشکیل می گردند. در این فرآیند از دستگاه مخصوصی استفاده می شود. در این دستگاه، پرتو لیزر ضربانی یا لیزر پیوسته ( در لیزر ضربانی شدت نور 100 کیلووات بر سانتیمتر مربع و در لیزر پیوسته شدت نور 12 کیلووات بر سانتیمتر مربع) به نمونه گرافیتی که شامل نیم درصد اتمی، نیکل و کبالت (کاتالیست) است، تابیده می شود. به این ترتیب گرافیت تبخیر می گردد و خوشه های کربنی از آن جدا می گردند. کوره این دستگاه با گازهای بی اثر نظیر هلیوم یا آرگون پر شده است و فشار آن نیز روی 500 تور (تقزیباً معادل 500 میلیمتر جیوه) نگاه داشته شده است. جریان آرگون یا هلیوم رآکتور، که به وسیله کوره تا دمای 1200 درجه سانتی گراد گرم شده است، بخار را حمل کرده و هسته های نانوکربن را ایجاد می کند که به رشد خود ادمه می دهند. در پایین کوره، نانولوله ها بر روی دیواره های سردتر لوله کوارتز رسوب می کنند.
در این فرآیند درصد بالایی از نانولوله های کربن تک جداره (حدود 70 درصد) تولید می شوند و بقیه ذرات، کاتالیست و دوده هستند. هنگام سرد شدن بخارات ممکن است مولکول ها و اتم های کوچک کربن با یکدیگر متراکم شوند و به خوشه های بزرگتری تبدیل شوند. بنابراین ممکن است ترکیبات فولرن ها نیز پدید آیند. این اتفاق بیشتر زمانی رخ می دهد که نمونه گرافیتی فاقد کاتالیست باشد. زیرا کاتالیست به خوشه های کربنی متصل شده و از بسته شدن ساختارهای قفسی جلوگیری می کند. در این فرآیند نیز نظیر فرآیند تخلیه قوس الکتریکی، الکترود گرافیتی خالص، منجر به تولید نانولوله های چند جداره می گردد. اما برای تولید نانولوله های تک جداره باید کاتالیست های فلزی نظیر آهن، نیکل، کبالت و ایتریم به گرافیت اضافه شود. اگر نیکل و ایتریم به نسبت 1 به 4.2 مورد استفاده قرار گیرند، بازدهی به حداکثر خواهد رسید. نانولوله های تولید شده به روش سایش لیزری، نسبت به روش تخلیه قوس الکتریکی خالص تر می باشند (درجه خلوص بالاتر از 90%). لازم به ذکر است که ایتریم فلزی نرم است که اکثر ترکیبات آن بی رنگ می باشد و در هوا مشتعل می گردد. در جدول 1 به طور خلاصه به برخی از مزایا و معایب این سه فرآیند اشاره شده است.


امروزه در فرآیندهای تولید نانولوله های کربن، پیشرفت های چشمگیری حاصل شده است اما هنوز هم تحقیقاتی در دست است تا بهترین روش های تولید این مواد معرفی گردند. در بسیاری از شرکت های کوچک و بزرگ، نانولوله های کربن در مقیاس صنعتی تولید می گردند. در سال 2010 میلادی در سراسر جهان هزار تن نانولوله کربن تولید شد. ضمناً به دلیل پیشرفت در فرآیندهای تولید نانولوله های کربن، ظرف 10 سال گذشته قیمت این محصول 75% کاهش یافته است.

حال که می توان نانولوله های کربن را به مقدار دلخواه تولید نمود، باید برچالش تجاری سازی آنها هم غلبه کرد. به عبارت دیگر باید بتوان نانولوله های کربن را به کامپوزیت اضافه نمود و از این راه آنها را به صنایع مختلف عرضه کرد. معمولاً نانولوله های کربن را به صورت محلول سوسپانسیون (ذرات معلق جامد در مایع) به فروش می رسانند. با این حال بیشتر اوقات کلوخه شدن (آگلومره شدن) نانولوله های کربن، سبب می گردد که نتوان آنها را به صورت یک محلول همگن در آورد تا صنایع مختلف از مزایای آنها بهره مند گردند. به علاوه برای نانولوله های کربن هیچ استانداردی وضع نشده است و از طرف دیگر به خاطر مسائل زیست محیطی، سلامتی و امنیت، نمی توان در زیرساخت های شهری از نانولوله های کربن بهره گرفت. بنابراین استفاده از این مواد با محدودیت هایی مواجه است. در نتیجه کاربردهای نانولوله های کربن کاهش می یابد.

ادامه دارد ...

منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت پنجم)

پتانسیل های فناوری تولید نانولوله های کربن و بر طرف نمودن چالش های آن (قسمت پنجم)

فیلم نانولوله های کربن
به علت کلوخه شدن نانولوله های کربن و به علت مسائل مربوط به سلامتی و ایمنی، برای تقویت کامپوزیت ها بیشتر از فیلم نانولوله های کربن استفاده می شود. در سال 1998 میلادی شرکت اسمالی برای اولین بار فیلم نانولوله های کربن را تولید کرد. روش تولید به این صورت بود که سوسپانسیونی از نانولوله های کربن عامل دار شده تحت شرایط خلأ، خشک شد و به صورت یک فیلم درآمد. موسسسه مواد با کارایی بالا، واقع در دانشگاه دولتی فلوریدا نیز با شرایط مشابه روش شرکت اسمالی نسبت به تولید نانولوله های کربن اقدام کرد. در روش اخیر توسط فرا صوت دهی، نانولوله های کربن از سوسپانسیون جدا شدند و با عبور از غشاء هایی، صاف شدند. به این ترتیب فیلم نانولوله های کربن به دو صورت ممتد و دسته ای (مستربچ) تولید می گردد. با استفاده از نانوله های کربن که به صورت عمودی روی زیر لایه قرار می گیرند (جنگل نانولوله های کربن) می توان فیلم را تراز کرد. به این ترتیب که نانولوله ها را از یک سمت و در خلاف جهت زیر لایه، باز می کنند. پیوند واندروالس محکمی که بین نانولوله های کربن وجود دارد باعث می شود فیلم نانولوله به راحتی از زیر لایه جدا شود. میتوان فیلم هایی که روی زیر لایه به طور تصادفی در جهت های مختلفی قرار گرفته اند را تحت فرآیند دیگری قرار داد و آنها را هم جهت کرد.
شرکت نانوکامپ تکنا الجیز، ورق های نانولوله های کربن تولید می کند. این شرکت برای تولید نانولوله های کربن از فرایند رسوب شیمیایی فاز بخار و برای اتصال آنها به یکدیگر از یک ماده شیمیایی استفاده می کند. نانولوله های کربن با این ماده شیمیایی آغشته می گردند و روی یک قطعه استوانه ای شکل رسوب می کنند. نانولوله هایی که با این روش رسوب گذاری می گردند، از شکل لوله ای در آمده اند و شکل مسطح به خود گرفته اند. به این ترتیب دسته ای از ورق های نانولوله های کربن تولید می شود که ابعاد آنها 1.2 در 3.7 متر می باشد. می توان ورق های مذکور را به هم متصل نمود و آنها را لوله (رول) کرد. می توان رول های مذکور را در ابعاد نا محدود تهیه نمود (شکل 2).

از دیگر محصولات شرکت نانوکامپ، الیاف نانولوله کربن است. شرکت مذکور از این پتانسیل برخوردار است که در هفته حدود 15000 متر الیاف نانولوله های کربن تولید نماید.
فیلم نانولوله های کربن در دو نوع چکش خوار و ترد در دسترس می باشد. البته فرآیند تولید این دو محصول با یکدیگر تفاوت دارد. ورق های معمولی نانولوله های کربن 25 میکرون ضخامت دارند و وزن هر 0.1 متر مربع آنها، کمتر از 2 گرم می باشد. برخی از خواص ورق های نانولوله های کربن در جدول 2 آمده است.



می توان ماده رسانا و پوشش محافظ تداخل امواج الکترومغناطیسی کابل های هم محور را، با ورقها و الیاف نانولوله های کربن جایگزین نمود. شرکت نانو کامپ توانسته است با این کار وزن کابل های هم محور را 40 تا 50 درصد و وزن کابل های یو اس بی را تا 70 درصد کاهش دهد. کابل هم محور کابلی است که داخل آن یک سیم رسانا وجود دارد. سیم مذکور توسط یک عایق قابل انعطاف محصور شده است. روی عایق مذکور نیز یک لایه رسانا قرار دارد. همه این اجزا داخل یک عایق دیگر جاسازی شده اند. از ورق های نانولوله کربن می توان به عنوان پیش آغشته نیز استفاده نمود. در هواپیماها نیز ورق نانولوله کربن به عنوان پوشش مانع تداخل امواج الکترو مغناطیس، روکش یخ زدای هواپیما (روکش قابل ارتجاع که روی سطوح هواپیما نصب می شود) و روکش محافظ در برابر صاعقه به کار می رود.
سازمان ناسا در برنامه هشتم انتخاب مواد با کارایی بالا، در ایستگاه فضایی بین المللی از ورق های نانولوله کربن شرکت نانوکامپ به طور آزمایشی استفاده نمود. ورق های مذکور آزمایش ها را با موفقیت پشت سر گذاشتند و در سال 2011 میلادی در فضاپیمای جونو مورد استفاده قرار گرفتند و از آن در مقابل تخلیه الکترواستاتیک (صاعقه) محافظت نمودند. استانداردهای دقیقی که سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا (ناسا) وضع نموده است و طبق آن باید در فضاپیماها از مواد با کارایی بالا استفاده گردد، به علاوه توانایی شرکت نانوکامپ در تولید انبوه نانولوله های کربن، سبب گشته است که نانولوله های مذکور، آزمایشگاه ها را ترک کنند و به دنیای واقعی راه یابند.